麻省理工學(xué)院的研究人員去年設(shè)計(jì)了一種微型計(jì)算機(jī)芯片，專門用于幫助硬幣大小的無人機(jī)導(dǎo)航，而現(xiàn)在芯片在尺寸和功耗方面都進(jìn)一步縮小。
該小組由麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系（EECS）副教授Vivienne Sze和1948級(jí)航空航天學(xué)職業(yè)發(fā)展副教授Sertac Karaman共同領(lǐng)導(dǎo)，從頭開始構(gòu)建一個(gè)完全定制的芯片，重點(diǎn)是減少功耗和尺寸，同時(shí)提高處理速度。
本周他們將在VLSI技術(shù)和電路專題討論會(huì)上發(fā)表名為“Navion”的新型計(jì)算機(jī)芯片，面積僅為20平方毫米，大約相當(dāng)于LEGO minifigure的尺寸，功耗僅為24毫瓦，約等于燈泡供電所需能量的千分之一。
利用微量的功率，該芯片能夠以高達(dá)每秒171幀的速度處理實(shí)時(shí)相機(jī)圖像以及慣性測(cè)量，這兩種方法都可以用來確定它在空中的位置。研究人員說，該芯片可以集成到指甲大小的“nanodrones”中，在遠(yuǎn)程或難以進(jìn)入的地方，全球定位衛(wèi)星數(shù)據(jù)不可用的時(shí)候幫助導(dǎo)航。
芯片設(shè)計(jì)也可以運(yùn)行在任何需要在有限電源設(shè)備上長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航的小型機(jī)器人或設(shè)備。
Karaman說：“我可以想象將這種芯片應(yīng)用于低能量機(jī)器人，如指甲般大小的飛行器，或者像氣球那樣的輕于空氣的飛行器，這些設(shè)備必須靠一塊電池運(yùn)行數(shù)月?；蛘呦胂笠幌箩t(yī)療設(shè)備，它能以非常小的電池以智能的方式導(dǎo)航，因此它不會(huì)在你的身體中過熱。我們正在開發(fā)的芯片可以解決這些問題?！?/p>
在過去的幾年中，多個(gè)研究小組設(shè)計(jì)出的小型無人機(jī)足夠小，可以放在手掌中?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想，這樣的小型車輛可以四處飛行，并拍攝周圍環(huán)境的照片，例如蚊子大小的攝影師或測(cè)量員，然后降落在手掌中，然后輕松存放。
但是，一架手掌大小的無人機(jī)只能攜帶不多的電池能量，其中大部分是用來為它的馬達(dá)提供的的，幾乎沒有為其他基本操作提供能量，比如導(dǎo)航，特別是狀態(tài)評(píng)估，或者能夠確定它在空中的位置。
“在傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)中，我們采用現(xiàn)有的現(xiàn)成計(jì)算機(jī)并對(duì)其實(shí)施狀態(tài)估計(jì)算法，因?yàn)槲覀兺ǔ２槐負(fù)?dān)心功耗，”Karaman說?！暗窃诿恳粋€(gè)需要我們小型化低功耗應(yīng)用的項(xiàng)目中，我們都必須以一種完全不同的方式思考面臨的挑戰(zhàn)?！?/p>
在他們之前的工作中，Sze和Karaman通過在單個(gè)芯片中結(jié)合算法和硬件來解決這些問題。他們的最初設(shè)計(jì)是在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列或FPGA上實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)PGA是一種可配置給定應(yīng)用的商用硬件平臺(tái)。該芯片能夠使用2瓦的功率執(zhí)行狀態(tài)估計(jì)，而較大的標(biāo)準(zhǔn)無人機(jī)通常需要10至30瓦來執(zhí)行相同的任務(wù)。盡管如此，該芯片的功耗仍然高于微型無人機(jī)通常能夠承載的功耗總量，研究人員估計(jì)其功耗約為100毫瓦。
為了進(jìn)一步縮小芯片尺寸和功耗，該團(tuán)隊(duì)決定從頭開始開發(fā)芯片，而不是重新配置現(xiàn)有設(shè)計(jì)。
為了減少芯片的功耗，該組織提出了一種設(shè)計(jì)，以最大限度地減少在任何給定時(shí)間存儲(chǔ)在芯片上的數(shù)據(jù)量（以照相機(jī)圖像和慣性測(cè)量的形式）。該設(shè)計(jì)還優(yōu)化了數(shù)據(jù)流經(jīng)芯片的方式。
“任何我們暫時(shí)存儲(chǔ)在芯片上的圖像，實(shí)際上都是壓縮的，所以它需要更少的內(nèi)存，”麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的成員Sze說。該團(tuán)隊(duì)還減少了無關(guān)的操作，例如計(jì)算零點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)。研究人員找到了一種方法來跳過涉及數(shù)據(jù)中任何零的計(jì)算步驟。“這讓我們避免了必須處理和存儲(chǔ)所有這些零，因此我們可以減少大量不必要的存儲(chǔ)和計(jì)算周期，從而降低芯片尺寸和功耗，并提高芯片的處理速度?！?/p>
通過他們的設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑿酒膬?nèi)存從之前的2兆減少到0.8兆。該團(tuán)隊(duì)在先前收集的無人機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集上對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，這些無人機(jī)在多種環(huán)境中飛行，如辦公室和倉庫式空間。
Sze說，“雖然我們?yōu)榈凸暮透咚偬幚淼奶匦远ㄖ屏诵酒覀円彩蛊渚哂凶銐虻撵`活性，以便它能夠適應(yīng)這些不同的環(huán)境，進(jìn)一步節(jié)約能源，關(guān)鍵是在靈活性和效率之間找到平衡?！痹撔酒€可以重新配置，以支持不同的攝像機(jī)和慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器。
從這些測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠?qū)⑿酒墓膹?瓦降低到24毫瓦，而這足以讓芯片以每秒171幀的速度處理圖像，這個(gè)速度甚至比預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集更快。
該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過在微型賽車上實(shí)施其芯片來展示其設(shè)計(jì)。當(dāng)一個(gè)屏幕顯示車載攝像頭的實(shí)時(shí)視頻時(shí)，研究人員還希望能夠顯示芯片實(shí)時(shí)確定其在空中的位置以及用于執(zhí)行此任務(wù)的功率量。最終，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在一架真正的無人機(jī)上測(cè)試芯片，并最終在微型無人機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。